מדענים מאוניברסיטת הרווארד חושפים אסטרטגיות הישרדות מדהימות של תולעת צינור פתח ענק בים עמוק

מחקר על תולעת האוורור במים עמוקים Riftia pachyptila מראה כיצד החיידקים הסימביוטיים שלו משתמשים בשני מסלולי קיבוע פחמן כדי להסתגל לתנאי ים עמוקים, דבר המצביע על פוטנציאל ליישומים ביוטכנולוגיים בלכידת פחמן.

תולעת צינור האוורור ההידרותרמי הענק Riftia pachyptila חי בסביבת הים העמוק הקשה של עליית מזרח האוקיינוס ​​השקט, שם אור השמש אינו חודר והסביבה ידועה בטמפרטורות קיצוניות, לחצי ריסוק הגולגולת ותרכובות רעילות. גדל עד 6 מטר גובה עם פלומה אדומה עמוקה, ריפטיה אין לו מערכת עיכול אבל משגשג מהקשר הסימביוטי שלו עם חיידקים שחיים עמוק בתוך גופו. מיליארדי החיידקים האלה מקשרים פחמן דו חמצני לסוכרים כדי לקיים את עצמם ואת תולעת הצינור.

בעוד שרוב האורגניזמים האוטוטרופיים מקיימים את עצמם באמצעות מסלול קיבוע פחמן יחיד, של ריפטיה אנדוסימביונטים כימואוטוטרופיים בעלי שני מסלולי קיבוע פחמן פונקציונליים: ה-Calvin-Benson-Bassham (CBB) וה-tricarboxylic הרדוקטיבי חוּמצָה מחזורי (rTCA). הרבה על המסלולים האלה היה בגדר תעלומה למדענים, שהיתה להם הבנה מוגבלת של הפעילויות והשילובים שלהם עם תהליכים מטבוליים אחרים.

תגליות מחקר על מסלולי קיבוע פחמן

חוקרים מהמחלקה לביולוגיה אורגנית ואבולוציונית של הרווארד חשפו תובנות חדשות לגבי התיאום של שני המסלולים הללו, וחשפו התאמה מתוחכמת המאפשרת לסימביונטים הללו לשגשג בתנאי אוורור הידרותרמיים קשים.

במחקר שלהם, שפורסם לאחרונה ב מיקרוביולוגיה של הטבע, החוקרים אספו תולעי צינור מהעלייה במזרח האוקיינוס ​​השקט כדי לחקור את הרגולציה והתיאום של שני המסלולים התפקודיים. על ידי דגירה של תולעי הצינור בתנאים המחקים את הסביבה הטבעית שלהם – כולל לחץ של 3,000 PSI ורמות כמעט רעילות של גופרית – החוקרים הצליחו למדוד את שיעורי קיבוע הפחמן נטו ולבחון תגובות תעתיק וחילוף חומרים.

"המאמר הזה הוא באמת סיור דה-כוח של מעבר מחקר אורגניזמים חיים ומדידת קצב חילוף החומרים שלהם וחיבורם ישירות לתמלילים באופן שאפשר לצוות המחקר להראות שסביר מאוד שהמסלולים מתנהלים במקביל", אמר בכיר. מחבר שותף פיטר גירגויס, פרופסור לביולוגיה אורגנית ואבולוציונית. "המאמר מראה שהמסלולים הכפולים מוטים על ידי תנאי הסביבה, ושיש מערכות מטבוליות אחרות במסלול סביב כל אחד משני אלה."

המחקר נערך על ידי חברי המעבדה של גירגויס, כולל מיטשל וג'ניפר דילייני, וכן אדם פרידמן מקבוצת הרווארד אינפורמטיקה.

ניתוח רשת ותובנות מטבוליות

קיבוע פחמן הוא תהליך המרת פחמן דו חמצני לסוכרים, וזהו התהליך העיקרי ששומר על פעילות הביוספרה שלנו. בהתאם לסביבה, כולל אנרגיה זמינה ומקורות פחמן, אורגניזמים פיתחו אסטרטגיות מטבוליות שונות. אורגניזמים פוטוסינתטיים, כמו צמחים, משתמשים באור השמש כדי לספק אנרגיה להמרת פחמן דו חמצני ומים לגלוקוז וחמצן. בים העמוק, מעבר להישג ידו של אור השמש, אך היכן שמים מחוממים-על געש זורמים דרך פתחי אוורור הידרותרמיים, Riftia pachyptila's סימביונים כימואוטוטרופיים משתמשים באנרגיה ממימן גופרתי כדי לתקן פחמן שמזין את חילוף החומרים והצמיחה של התולעים. על ידי שינוי בקפידה של תנאי ניסוי עבור ריפטיההצוות הצליח לזהות כיצד שינויים סביבתיים בכימיה משפיעים על האופן שבו שני מסלולי הפחמן שלהם מתואמים.

"זהו הניתוח המעמיק ביותר של חיידק שיש לו שני מסלולי קיבוע פחמן, rTCA ו-CBB", אמרה הסופרת הראשית והפוסט-דוקטורט ג'סיקה מיטשל. "זהו גם ניתוח הרשת הראשון שנעשה על סימביוזת אוורור הידרותרמי וניתוח הרשת הראשון שנעשה על מערכת מסלול קיבוע פחמן כפול."

ניתוח רשת אפשר לצוות לזהות דפוסים בנתוני ביטוי הגנים ולספק תמונה רחבה יותר של המערכת. הניתוח זיהה גנים של מרכז מטבולי הממלאים תפקיד מרכזי בשמירה וויסות הרשת המורכבת של תגובות מטבוליות בתוך התאים.

תפקידים ייחודיים בתפקוד מטבולי

הצוות מצא כי דפוסי התעתיק של מחזורי rTCA ו-CBB השתנו באופן משמעותי בתגובה למשטרים גיאוכימיים שונים. כל מסלול נמצא כקשור לתהליכים מטבוליים ספציפיים. מחזור ה-rTCA מקושר עם הידרוגנזות והפחתת חנקה מתפזרת. אנזימים אלו חיוניים לעיבוד מימן וחנקות בהיעדר חמצן, דבר המצביע על כך שמחזור rTCA ממלא תפקיד מפתח בתנאי אנרגיה נמוכה יותר.

לעומת זאת, מחזור ה-CBB קשור לחמצון גופרתי והפחתת חנקה מטמיעה. חמצון סולפיד הוא תהליך חיוני בסביבה העשירה בכימיקלים של פתחי אוורור הידרותרמיים, שבהם יש סולפידים בשפע. על ידי קישור מחזור CBB לחמצון גופרתי, הסימביונטים יכולים לנצל ביעילות את האנרגיה הכימית הזמינה בסביבתם כדי לתקן פחמן.

מסלולים משלימים והתאמות סביבתיות

אחד הממצאים המסקרנים ביותר של המחקר היה האופי המשלים של שני המסלולים הללו. נראה שמחזור ה-rTCA חשוב במיוחד בתנאים שבהם הגופרית והחמצן מוגבלים. זה הודגש על ידי זיהוי של Hydrogenase Group 1e, אשר, יחד עם מחזור rTCA, ממלא תפקיד מכריע בתגובה הפיזיולוגית למגבלות כאלה. גמישות זו מעניקה יתרון משמעותי, המאפשרת לתולעי הצינור לשגשג בתנאים משתנים מאוד של פתחי אוורור הידרותרמיים.

שיעורי קיבוע הפחמן נטו שנמדדו במהלך המחקר היו גבוהים במיוחד, מה שאפשר את הצמיחה וההישרדות המהירה של Riftia pachyptila בסביבתם. המסלולים הכפולים של קיבוע פחמן – כל אחד מהם מותאם לתנאי סביבה שונים – עשויים לאפשר לסימביונטים לשמור על יציבות מטבולית במהלך שינויים סביבתיים.

השלכות ומחקר עתידי

הניתוח של מסלולי קיבוע הפחמן הכפולים והוויסות המתואם שלהם ב ריפטיה פותח אפיקים חדשים למחקר בלכידת פחמן ביולוגי וכן ביוכימיה בסיסית. לידע זה יכול להיות יישומים מעשיים בביוטכנולוגיה, כאשר העקרונות של מסלולים אלה עשויים להיות רתומים לפיתוח מערכות יעילות יותר לקיבוע פחמן. יתרה מכך, הבנה כיצד מסלולים אלה מוסדרים יכולה לספק תובנות לגבי התפתחות המגוון המטבולי והסתגלות בסביבות קיצוניות.

"מחקר זה באמת סולל את הדרך למחקרים עתידיים, והבנה כיצד המסלולים הכפולים הללו מאפשרים לאורגניזם הזה לתקן את כמות הפחמן הזו," אמר מיטשל.